1. 서 론
2. 시험 준비
2.1 진동대 시험 장치
2.2 지반 조성 및 계측 센서 설치
2.3 입력파 및 실험 프로그램
2.4 1-G 모형실험을 위한 상사 법칙
3. 시험 결과 및 분석
3.1 근입비(Hsp/Hsl)
3.2 비보강 case
3.3 시트파일 보강 case
4. 시트파일의 근입 깊이에 따른 침하량 비교 및 관계식 제안
5. 결 론
1. 서 론
최근 국내·외에서 매년 지진이 지속적으로 발생하면서 이로 인해 사람들의 지진에 대한 관심이 커지고 있다. 국내의 경우, 9.12 지진(2016)과 포항 지진(2017) 같은 규모 4.0 이상의 지진 발생 빈도가 증가하고 있다.
지진은 해일, 산사태, 쓰나미, 지반 액상화 등 다양한 형태의 자연적 피해와 공공 인프라 마비, 시설물 붕괴 및 인명 피해 등의 물리적 피해의 원인이 된다. 특히, 지진 시 발생하는 지반 액상화의 경우 지진으로 인한 1차적인 지반 붕괴와 지진 발생 후 2차적인 구조물 피해를 발생시키는데 액상화로 인해 발생하는 피해 형태와 규모가 상당히 크게 나타난다(Bray et al., 2010)(Fig. 1). 따라서, 지진 시 액상화 피해 예방과 보강이 매우 중요하다.
액상화 현상은 지진으로 인해 발생하는 지반 피해 형태 중 하나로 지진과 같은 강한 동적 하중이 지반에 가해 지게 되면 지반 내 간극수압이 급격하게 상승하는데, 간극수압의 급격한 상승은 지반 내 유효응력을 상실하게 만든다. 유효응력을 상실한 지반이 액체와 같은 거동을 보이는 현상을 액상화 현상이라고 한다(Fig. 2).
2017년 이전까지 액상화 현상은 국내에서는 관측되지 않고 대부분 국외에서 자주 관측되었는데, Nigata earthquake (1964), Kobe earthquake(1995), Tohokou earthquake(2011)과 Northridge earthquake(1994), Loma prieta earthquake(1989), Christchurch earthquake(2011) 등이 대표적으로 액상화 발생이 관측되었던 지진들이다.
그러나 2017년 포항에서 발생한 지진으로 인해 국내에서도 처음으로 액상화 현상이 관측되었다(Fig. 3). 2017년 포항 지진으로 인하여 발생한 액상화는 1978년 계기지진관측이래 발생한 국내 첫 액상화 현상이다(Ha et al., 2020). 이는 국내에서 강진이 발생할 경우 언제든지 액상화 현상이 발생할 가능성이 있다는 것을 의미하며, 이로 인해 국내에서 액상화 현상에 대한 관심이 증가하고 있는 상황이다.
대부분의 국외 주요 지진 발생 국가들에서는 액상화 현상에 대한 연구가 많이 진행되어왔다. 특히, 전 세계적으로 지진 발생 빈도가 매우 높은 미국과 일본에서 액상화 현상에 대한 연구가 활발하게 진행되었고, 다양한 액상화 방지 공법에 대한 개발과 연구가 이루어지고 있다.
기존의 연구 개발 되어온 액상화 피해 저감 공법으로는 자갈배수 공법, 모래치환 공법, 진동다짐 공법 등이 있다. 자갈배수 공법은 간극수압 소산 등을 이용하여 액상화 발생 원인을 제거하는 방식으로 지진 시 과잉간극수압 발생 억제, 간극수압 소산 속도 향상이라는 장점이 있다(Han et al., 2010). 모래치환 공법은 지진 시 액상화로 인한 간극수압 상승에 따른 지반 지지력 감소를 낮추기 위해 지반의 연약층을 조립토로 치환하는 공법으로 지진 시 지반 지지력 저항을 억제하는 장점을 가지고 있다(Hong et al., 2006). 그리고 진동다짐 공법은 진동 장비를 이용하여 지반의 밀도를 높여 지반의 지지력을 증대시키는 방식으로 액상화로 인한 지반 지지력 감소를 억제하는 장점을 가지고 있고 시공비용이 저렴하다(Kim et al., 2006).
하지만, 이러한 기존의 액상화 피해 저감 공법들은 대부분 신설 구조물에 적용 가능하여, 기존 구조물에 적용이 어렵다. 그리고 현재까지 신설 구조물에 적용할 수 있는 액상화 피해 저감 공법 연구에 비해 기존 구조물에 적용할 수 있는 액상화 피해 저감 공법에 대해서는 많은 연구가 이루어 지지 않았다. 기존 시설물에도 액상화 피해 저감 공법이 적용 가능하기 위해서는 건물 내부에서 직접적으로 적용되지 않고 건물 외부에서 적용이 되어야 한다. 이에 선행 연구된 액상화 피해 저감 공법 중에서 시트파일 공법은 건물 외부에서 적용이 가능하기 때문에 기존 구조물에도 적용이 가능한 것으로 판단된다.
Park et al.(2000)은 액상화되기 쉬운 모래 지반 위에 축조된 제방의 지진 시 거동을 조사하고 액상화 경감을 위한 대책공법의 효과를 비교하기 위하여 12가지 경우에 대해 진동대 시험을 수행하였다. 해당 연구에서는 널말뚝, 자갈배수재, 모래다짐 말뚝과 강관말뚝 등의 대책공법이 적용되었으며, 진동대 시험에 사용된 투명 토조의 길이는 1,940mm이고 폭은 440mm 그리고 높이는 600mm이다. 기초 지반은 포화된 모래이며 수중침강법을 적용하여 상대밀도 약 30%로 조성되었다. 이 포화된 느슨한 모래지면 위에 150mm 높이의 제방이 경사 1:1.5로 축조되었다. 연구 수행 결과 적용된 공법 모두가 일반적인 진동 범위에서 액상화 발생을 억제시키는데 유용한 것으로 증명이 되었으며, 그중에서 모래다짐말뚝이 액상화로 인한 피해를 감소시키는데 가장 효과적인 것으로 결론을 제시하였다.
Rasouli et al.(2012)은 시트파일 공법이 기초 지반의 횡방향 변위를 억제하여 전체적인 수직 침하량을 감소시켜 줄 수 있다고 판단하여 이에 대한 1-G 진동대 실험을 수행하였다. 실험 수행을 위해 시트파일의 상부와 하부를 고정한 조건과 시트파일의 상부와 하부를 고정하지 않은 조건, 그리고 시트파일 상부와 하부를 hinge로 하는 조건 등 다양한 조건으로 실험을 수행하였으며, 시트파일의 두께도 변화시켜 시트파일의 강도에 따른 액상화 피해 방지 효과를 분석하였다. 해당 실험 결과를 바탕으로 시트파일의 상부와 하부를 고정하는 조건과 시트파일의 강성을 높이는 경우가 액상화 피해 방지에 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.
Towhata et al.(2015)은 1-G 진동대 실험으로 구조물 기초를 시트파일을 이용하여 보강할 때 시트파일과 구조물의 간격에 따른 액상화 피해 방지 효과와 시트파일이 지반에 근입되는 깊이에 따른 액상화 피해 방지 효과에 대한 연구를 수행하였다. 모형 지반 조성을 위해 바닥면에서부터 100mm까지 수위를 높인 후 모래를 물에 일정하게 낙사하는 수중 낙사법을 이용하여 상대밀도에 따라 액상화가 발생하지 않는 지층과 액상화가 발생하는 지층으로 나누어 지반을 조성하였다. 시트파일이 지반에 근입되는 깊이는 바닥층까지 근입하는 경우와 지층의 절반까지 근입하는 두 가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다. 실험 결과 시트파일을 바닥층까지 근입한 경우 시트파일로 인해 지반의 액상화 발생이 지연되고 구조물의 침하량 또한 감소하는 경향을 보였다. 하지만 시트파일을 지층의 절반까지만 근입한 경우 액상화를 지연시키지 못했고 구조물의 침하량 역시 감소하지 않는 경향을 보였다.
그러나 대부분의 선행연구는 시트파일의 근입 깊이에 따른 보강 효과에 대한 연구는 수행하지 않았다.
이에 본 연구에서는 1-G 진동대 실험을 수행하여 시트파일의 근입깊이에 따른 액상화 피해 저감 효과를 분석하고 기존 구조물기초에 적용 가능한 최적의 근입비를 선정하고자 한다. 실험 수행을 위해 주문진 표준사를 이용하여 모형지반을 조성하였으며, 상대밀도에 따라 액상화가 발생하지 않는 지층과 액상화가 발생하는 지층으로 나누어 조성하였다. 액상화가 발생하지 않는 지층은 바닥층 50mm, 표층 30mm 두께로 조성하였고, 액상화가 발생하는 지층은 총 3개 지층으로 나누어 조성하여 1개 지층의 두께는 50mm, 전체 150mm 두께로 조성하였다. 액상화가 발생하지 않는 지층, 액상화가 발생하는 지층의 상대밀도는 각각 85%, 45%로 조성하였다. 또, 시트파일의 근입 깊이에 따른 액상화 피해 저감 효과를 분석하기 위해 길이가 다른 6종류의 시트파일(근입비: 1, 0.85, 0.75, 0.65, 0.6, 0.55)을 사용하였다(근입비는 4.1절 참고). 시트파일이 액상화 피해 저감에 미치는 효과에 대한 실험 결과의 시간과 침하량 등은 모형으로 환산된 값이다.
2. 시험 준비
2.1 진동대 시험 장치
본 연구에 사용된 진동대 시험장치는 최대 500kg의 힘을 가할 수 있는 엑츄에이터와 강철프레임으로 구성되어 있으며 단축 방향으로 동적 하중을 적용할 수 있다. 모형토조는 아크릴로 제작된 강성 토조이며, 아크릴 토조의 크기는 길이 800mm, 폭 400mm, 높이 700mm이며, 실험 수행 시 지층의 거동을 쉽게 확인할 수 있도록 투명하게 제작하였다. 강성 토조의 측면에는 스티로폼 재질의 완충장치를 각각 50mm두께로 설치하여 측면 경계에서의 입력파를 흡수할 수 있도록 하였다(Fig. 4).
2.2 지반 조성 및 계측 센서 설치
지반은 주문진 표준사를 사용하였고 입도분포곡선은 Fig. 5와 같다. 주문진 표준사의 물성치는 Table 1에 정리하였다. 모형 지반 조성에는 모래를 일정한 높이에서 흩뿌리는 건조낙사법과 Towhata(2015)가 모형지반을 조성했던 방법과 같이 모래를 수중에 흩뿌리는 수중낙사법을 사용하였으며, 액상화가 발생하지 않는 지층과 액상화가 발생하는 지층을 구분하여 조성하였다. 액상화가 발생하지 않는 지층은 건조낙사법을 사용하여 상대밀도 85%로 하여 강성 토조의 바닥면과 모형 지반의 표층에 각각 50mm, 30mm 두께로 조성하였다. 액상화가 발생하는 지층은 수중낙사법을 이용하여 상대밀도 45%로 1개 층의 두께를 50mm로 조성하여 전체 층을 150mm 두께로 조성하였으며, 흙이 완벽하게 포화상태가 될 수 있도록 지반을 조성 후 24시간 동안 포화 과정을 거친 이후에 실험을 수행하였다. 그리고 지반 내 가속도와 간극수압 변화, 구조물 침하를 측정하기 위해 가속도계(6EA), 간극수압계(3EA), LVDT(3EA)를 설치하였고, 양측에는 두께 50mm의 스티로폼 재질의 완충장치를 설치하여 입력파가 흡수될 수 있도록 측면 경계조건을 조성하였다(Fig. 6). 시트파일은 2mm 두께의 스테인레스강으로 제작하였으며, 시트파일의 설치는 액상화가 발생하는 지층을 조성할 때 시트파일의 근입 깊이에 맞는 위치를 계산하여 설치하였으며, 구조물 주위로 지반 조성과 함께 설치하였다.
Table 1.
Basic properties of Joo-Mun-Jin standard sand
| GS | emax | emin | D10 (mm) | D50 (mm) | Cu |
| 2.63 | 0.937 | 0.65 | 0.331 | 0.586 | 1.93 |
2.3 입력파 및 실험 프로그램
정현파를 입력파로 사용하였고 가속도 수준은 0.6g, 주파수는 10Hz로 진동대 실험을 수행하였다.
본 연구는 지반에서 액상화가 발생하였을 때, 시트파일의 근입비에 따른 지반 보강 효과를 분석하는 연구이므로 입력파로 인해 액상화가 발생할 수 있는 크기의 가속도 수준이 필요하다.
이에 다양한 가속도와 주파수를 이용하여 진동대 실험을 선행하였고, 실험 결과를 바탕으로 선정한 입력파의 진폭과 주기는 Fig. 7에 도시하였다.
2.4 1-G 모형실험을 위한 상사 법칙
Iai(1989)는 지반-구조물-유체 시스템에 대한 평형방정식, 구성 법칙, 그리고 변위-변형률 관계 등을 이용하여 1-G 진동대 모형실험에 적용할 수 있는 상사법칙을 제안하였다. 본 연구에서의 실험은 모형지반을 느슨하게 조성하고 진동이 멈춘 후에도 계속해서 변형이 발생하는 형태이기 때문에 Iai의 상사법칙 중에서 Type 3을 적용하였다(Table 2). 원형은 부산에 위치한 가로 12m, 너비 7m인 2층 높이의 구조물을 대상으로 하였다. 실험모형은 원형의 1/50 크기로 축소 제작하였다. 모형 구조물은 길이 250mm와 폭 100mm의 아크릴 상자로 제작하였고 모형 구조물의 높이는 100mm이다. 무게는 8kg이며, 표면 상재압은 3.136kPa이다.
Table 2.
Law of similitude based on Iai (1989)
| Scale factor (λ | ||
| Parameter | Prototype/Experiment | |
| Length | λ | 50 |
| Stress and Pressure | λ | 50 |
| Acceleration | 1 | 1 |
| Time | λ0.5 | 7.07 |
| Stiffness | λ | 50 |
3. 시험 결과 및 분석
3.1 근입비(Hsp/Hsl)
시트파일의 근입비란 Eq. (1)과 같이 시트파일의 길이를 모형지반에서 표면층을 포함한 액상화 발생 가능 지층의 깊이인 150mm로 나눈 값을 의미한다. 시트파일의 근입비는 시트파일의 길이와 액상화 발생 가능 지층의 깊이에 대한 비이며, 여기서 시트파일은 모형지반 조성 시 비액상화층인 표면층을 조성하기 전 단계인 액상화 발생 가능 지층만 조성되어 있을 때 모형지반에 설치하였다. 본 논문에서는 Hsp/Hsl로 표현하였다.
3.2 비보강 case
포화된 느슨한 모래 모형 지반에 동적 하중이 가해지게 되면 Fig. 8(b)에서 보이는 바와 같이 지반 내 간극수압이 상승하면서 지반의 유효 응력을 상실하면서 지반 액상화가 발생하고 이로 인해 모형 구조물은 급격한 수직 침하와 모형 구조물의 회전에 의한 부등 침하가 동시에 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 동적 하중이 지반에 작용하고 약 10초 후 모형 구조물이 급격하게 침하 하여 최종적으로 최대 162mm 만큼 수직 침하 한 것을 확인할 수 있다. 그리고 구조물의 수직 침하가 발생하면서 동시에 부등 침하도 함께 발생하여 구조물이 빠르게 전도되는 경향을 보였다. 이는 포화된 느슨한 모래 지층에 동적 하중이 가해지면서 과잉간극수압이 급격하게 상승하고 이로 인해 지반이 유효 응력을 상실하면서 침하량이 급격하게 증가한 것으로 판단된다(Fig. 9).
3.3 시트파일 보강 case
시트파일의 지반 보강 효과를 비교하기 위해 시트파일의 근입비(Hsp/Hsl)별로 구조물의 침하량과 시트파일의 영향 범위에 속하는 상부 지층의 간극수압을 비교하였다.
액상화가 발생하는 시점은 근입비 0.55부터 근입비 0.85까지 비슷하게 동적 하중 작용 이후 약 10초 정도 지난 시점에서 액상화가 발생하였다. 이에 근입비 0.55에서 근입비 0.85까지는 시트파일이 지반의 간극수압 상승을 억제하여 액상화 발생을 지연시켜주거나 억제하는 효과는 크지 않다는 것을 의미하며, 시트파일 근입깊이의 증가 또한 액상화 발생을 지연시키거나 억제하는 효과는 크지 않는 것으로 판단된다. 그러나 근입비 1인 경우, 근입비 0.55부터 근입비 0.85까지와는 다르게 액상화가 발생하는 시점이 동적 하중 작용 이후 약 20초 정도 지난 시점에서 발생하였다. 이는 시트파일이 액상화가 발생할 가능성이 있는 지층 전체를 보강하여 지반 내 간극수압 상승을 지연시켜 액상화 발생이 지연된 것으로 보인다. 이에 시트파일이 지반 내 차수벽 역할을 하면서 지반 내 간극수압 상승을 억제하는데 효과를 보이기 위해서는 시트파일의 근입깊이와 지반 내 액상화 발생 가능성이 높은 지층의 깊이가 동일한 수준은 되어야 할 것으로 판단된다.
구조물 침하의 경우, 근입비 0.55에서부터 근입비 1까지 수직 침하와 부등 침하가 동시에 발생하는 경향을 보였다. 그리고 근입비 0.55인 경우, 구조물은 156mm까지 수직 침하 하여 비보강 지반과 큰 차이가 없었다. 그리고 구조물이 수직 침하 할 때 동반되는 부등 침하 역시 비보강인 경우와 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 시트파일의 근입비가 0.55일 때, 시트파일의 길이가 액상화 발생 지층의 길이에 비해 너무 짧아 시트파일이 지반 강성을 높여주는 역할을 하지 못하여 비보강 지반에 비해 약 4% 정도 침하량이 감소하였으나, 비보강 지반에서 발생한 구조물의 침하량과 큰 차이를 보이지 않았고 이에 액상화 발생 시 구조물의 침하를 억제하는 효과 또한 미비한 것으로 판단된다.
근입비 0.6인 경우, 구조물은 138mm까지 수직 침하 하였고, 비보강 지반에 비해 약 15% 정도 침하량이 감소하였다. 또, 근입비 0.65인 경우, 구조물은 127mm까지 수직 침하 하였고, 비보강 지반에 비해 약 22% 정도 침하량이 감소하였다. 이는 근입비가 증가할수록 구조물의 수직 침하량은 감소하는 경향을 보였다. 그러나 근입비 0.6과 근입비 0.65일 때 구조물 침하 감소량이 구조물에 피해가 발생하지 않는 수준으로 보기 어려우며 구조물의 수직 침하와 동시에 발생하는 부등 침하 역시 근입비 0.55와 비슷하게 발생하여 전체적으로 액상화로 인한 구조물의 피해를 억제하는 효과가 크지 않은 것으로 판단된다.
반면, 근입비 0.75인 경우는 구조물이 60mm까지 수직 침하 하여 비보강 지반에 비해 약 62% 정도 침하량이 감소하는 경향을 보였고, 근입비 0.85인 경우는 구조물이 54mm까지 수직 침하 하여 비보강 지반에 비해 약 67% 정도 침하량이 감소하는 경향을 보였다. 그리고 근입비 1인 경우는 구조물의 침하량은 46mm로 비보강 지반에 비해 약 71% 정도 침하량이 감소하는 경향을 보여, 근입비가 0.75 이상이 되면 액상화로 인해 발생하는 구조물의 침하를 억제하는 효과가 큰 것으로 판단된다. 또, 근입비가 0.75 이상이 되면 구조물의 수직 침하뿐만 아니라 구조물의 부등 침하 역시 감소하는 경향을 보여 구조물의 전체적인 침하에 대한 보강을 고려할 때 시트파일의 근입비는 최소 0.75 이상은 되어야 한다고 판단된다.
간극수압은 시트파일 내부의 간극수압을 기준으로 분석하였다. 근입비 0.55인 경우, 바닥층과 상부 지층 모두 간극 수압비가 ‘1’ 이상이 나왔고, 시트파일 내부의 간극수압은 최대 약 3.8kPa까지 증가하여 간극 수압비가 약 1.05로 나왔다.
이는 근입비 0.55인 경우, 시트파일의 길이가 액상화 발생 지층의 길이에 비해 너무 짧아 차수벽의 기능을 수행하지 못하여 바닥층과 상부 지층의 간극수압의 상승을 억제하지 못하는 것으로 판단된다(Fig. 10).
근입비 0.6인 경우, 바닥층에서는 근입비 0.55일 때와 유사하게 간극수압비가 ‘1’ 이상 되었고, 시트파일 내부의 간극수압은 근입비 0.55일 때 보다 약간 감소하였지만 약 3.7kPa까지 증가하였다. 간극 수압비 또한 약 1.02로 나와 근입비 0.6인 시트파일 또한 간극수압의 상승을 효과적으로 억제하지 못하는 것으로 판단된다. 이에 근입비 0.6인 시트파일은 전체적으로 근입비 0.55일 때 보다 간극수압 상승은 약간 감소하였지만, 근입비 0.55인 경우와 유사하게 시트파일의 길이가 액상화 발생 지층의 길이에 비해 너무 짧아 시트파일이 지반 내 차수벽의 기능을 수행하지 못하여 간극수압의 상승을 억제하지 못하는 것으로 판단된다(Fig. 11).
근입비 0.65인 경우, 바닥층에서는 간극 수압비가 ‘1’ 이상이 나오는 경향을 보이고 액상화가 발생한 원인 또한 바닥층의 간극수압 상승으로 인한 것으로 판단된다. 시트파일 내부 최대 간극수압은 약 55% 가량 감소한 값인 약 1.6kPa, 간극 수압비는 0.4로 나왔다. 이를 통해 시트파일의 근입깊이가 커질수록 지반 간극수압의 상승을 억제하는 효과가 있는 것으로 판단된다. 이는 시트파일이 유효깊이까지 근입될 경우 기존의 지반이 불투수 벽체인 시트파일에 의해 분리되면서 시트파일 외부와 내부가 각각 독립적으로 거동하게 되고 또, 시트파일이 차수벽으로 역할을 하면서 시트파일 외부에서 상승한 간극수압이 시트파일 내부까지 전달되지 못하도록 하여 시트파일 내부의 간극수압의 상승을 억제한 것으로 판단된다. 그리고 시간이 지남에 따라 시트파일 내부 간극수압이 상승하는 경향을 보여 시트파일 내부에서는 간극수압이 소산하지 못하는 것으로 판단된다(Fig. 12).
근입비 0.75인 경우, 바닥층에서는 간극 수압비가 ‘1’ 이상이 나오는 경향은 앞서 분석했던, 근입비 0.65와 유사한 것으로 보이고 액상화가 발생한 원인 또한 바닥층의 간극수압 상승으로 인한 것으로 판단된다. 그리고 시트파일 내부 최대 간극수압은 약 69% 가량 감소한 값인 약 1.25kPa, 간극 수압비는 0.3으로 나왔다. 이를 통해 시트파일의 근입깊이가 커질수록 지반 간극수압의 상승을 억제하는 효과가 있는 것으로 보인다. 이러한 경향은 근입비 0.65일 때와 유사하다(Fig. 13).
근입비 0.85인 경우, 바닥층에서는 간극 수압비가 ‘1’ 이상이 나오는 경향은 앞서 분석했던, 근입비 0.65, 근입비 0.75와 유사한 것으로 보이며 액상화가 발생한 원인 또한 바닥층의 간극수압 상승으로 인한 것으로 판단된다. 그리고 시트파일 내부 최대 간극수압은 약 67% 가량 감소한 값인 약 1.3kPa, 간극 수압비는 0.36으로 나왔다. 이를 통해 시트파일의 근입깊이가 커질수록 지반 간극수압의 상승을 억제하는 효과가 있는 것으로 보인다. 이러한 경향은 근입비 0.65, 근입비 0.75일 때와 유사하다(Fig. 14).
근입비 1인 경우, 모든 지층에서 간극수압이 낮게 측정되었으나, 바닥층에서 간극 수압비가 약 0.97 정도를 보여 바닥층의 간극수압 상승이 액상화를 발생시킨 원인으로 보인다. 하지만 근입비 1인 경우, 시트파일이 액상화 지층 전체를 보강하고 있어 간극수압의 상승 시점이 약 10초가량 지연된 것으로 보인다. 하지만 약 20초 이후 간극수압이 급격하게 상승하고 시트파일 내부의 간극수압 또한 약 2kPa까지 상승하는 경향을 보여 시트파일이 지반 내 간극수압 상승 자체를 막아주는 것은 아니라고 판단된다(Fig. 15).
4. 시트파일의 근입 깊이에 따른 침하량 비교 및 관계식 제안
Fig. 16은 근입비에 따른 구조물의 침하량을 비교한 그래프이고, Table 3은 시트파일의 근입비에 따른 침하량 값을 정리한 결과이다. 결과 그래프에서 보이듯이 시트파일을 이용하여 지반 보강을 한 경우 구조물의 침하량이 감소하는 것을 볼 수 있고, 근입비가 증가함에 따라 구조물의 침하량도 감소하는 것을 볼 수 있다. 그리고 근입비가 0.75인 경우와 근입비가 1인 경우, 구조물의 침하량의 차이가 14mm를 보여, 근소하게 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 근입비가 0.75 이상이 되면 침하량이 어느 정도 비슷한 값으로 수렴하는 경향을 보이는 것으로 판단된다.
Table 3.
Comparison of maximum settlement in all cases
| Embedded depth ratio | None prevent | 0.55 | 0.6 | 0.65 | 0.7 | 0.75 | 0.85 | 1 |
| Settlement (mm) | 162 | 156 | 138 | 137 | 94 | 60 | 54 | 46 |
그리고 시트파일의 근입비에 따른 침하량 값들을 정리하여, 시트파일의 근입비와 구조물의 침하량을 관계식으로 표현하여 제안하였다(Fig. 17). Eq. (2)는 딥러닝에서 S자 곡선 또는 시그모이드 곡선을 가지는 수학함수인 시그모이드 함수를 이용하여 제안한 것이다.
여기에서, a는 곡선의 기울기, b는 함수의 x축 중앙의 위치, c는 곡선의 최고점 위치, d는 곡선의 y축의 길이에 영향을 주는 요소이다. Fig. 17은 a는 21.99, b는 0.68, c는 43, d는 120인 값을 가진 Eq. (3)과 같은 시그모이드 곡선 그래프이다.
5. 결 론
본 연구에서는 시트파일의 근입비에 따른 구조물의 침하량과 지반 간극수압 변화와의 상관관계를 추정하고 이에 대한 관계식을 제안하였다. 이를 위해 근입비가 각기 다른 6종류의 시트파일에 대해 진동대 실험을 수행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 시트파일의 근입비를 다르게 하여 실험을 수행한 결과, 근입비가 1 일 때, 모형 구조물의 침하량이 가장 작았고, 근입비가 0.55 일 때, 모형 구조물의 침하량이 가장 큰 값을 보였다. 이는 불투수벽체인 시트파일이 지반 내 차수벽의 역할을 수행하여 액상화로 인한 지반의 측방 유동을 억제하고 지반의 횡방향 변위를 감소시켜 모형 구조물의 침하를 억제시키는 것으로 판단된다.
(2) 시트파일의 근입비가 증가할수록, 간극수압이 천천히 감소하는 경향을 보였으며, 특히, 근입비 0.85와 근입비 1의 경우 간극수압 소산 속도가 매우 늦게 진행되는 경향을 보였다. 이에 근입비가 증가할수록 시트파일이 간극수압의 소산을 방해하는 것으로 판단된다.
(3) 최종 침하량 분석 결과, 시트파일 공법을 이용하여 지반 보강을 한 지반이 아무런 보강도 하지 않은 지반에 비해 침하량이 최대 약 71% 정도 감소한다는 것을 확인하였으며, 이는 시트파일 공법이 액상화 현상으로 인한 구조물 침하 피해 저감에 효과적이라고 판단된다.
(4) 모형 구조물의 침하와 간극수압의 변화 등을 종합적으로 비교한 결과, 시트파일의 최적 근입비는 구조물의 침하량이 가장 작고 간극수압 소산 방해가 가장 낮은 0.75가 가장 적합할 것으로 판단된다.
(5) 본 연구에서는 단일 사질토 지반을 대상으로 하여 모형실험을 수행하였으나, 실제 지반과 유사한 다층 지반에 대한 실험과 연구 또한 수행되어야 한다고 판단된다.
